金属掺杂的CeO2体系电子结构和氧离子迁移能的DFT+U研究

摘要：

使用DFT和DFT+U方法研究了Ca,Ba,Sm与Zr在CeO2体系中的掺杂能及其掺杂对缺陷形成能和氧离子迁移能的影响规律.计算结果表明,对未含有氧离子空位的掺杂体系,掺杂能随着掺杂离子半径的增大而增大:对含有氧离子空位的掺杂体系,掺杂能受到掺杂离子半径和价态的影响:对各种掺杂体系电子结构的研究发现,在还原CeO2,Zr和Sm掺杂的CeO2体系中,由于氧空位捕获电子使Fermi能级升高:在碱土金属掺杂的CeO2体系中,由于Ca2+和Ba2+取代高价态Ce4+而产生的负电荷恰恰与氧离子空位产生的正电荷中和,因此Fermi能级几乎没有移动:还原CeO2和Zr掺杂的CeO2体系均含有Ce3+,其新态位于 Ce4f和O2p之间,这将导致CeO2体系具有离子和电子导电特性:Ca,Ba和Sm的掺杂均抑制了CeO2体系中Ce4+的变价.使用NEB方法对氧离子迁移能进行了研究,且结果表明,氧离子到空位的迁移路径几乎沿一条直线进行;当掺杂Ca,Ba,Sm与Zr时,氧离子迁移能均小于纯CeO2体系的;在这些掺杂体系中,Ba掺杂的体系氧离子迁移能最小,掺杂能较大,这可能导致在实验中常通过加入第三类掺杂物来引入Ba.

关键词：二氧化铈、DFT+U、掺杂能、缺陷形成能、离子迁移能

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资助基金：the Natural Science Foundation of inner Mongolia2010BS0805;"Chunhui plan" of the Ministry of Education Z2009-1-01050.受内蒙古自然科学基金2010BS0805;教育部“春晖计划”Z2009-1-01050

在线出版日期：2014-01-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共8页

页码：1668-1675